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Erhöhung der Fettsäuresynthese von Regenbogenforellen durch Isoflavone

Fickler, Anna (2019) Erhöhung der Fettsäuresynthese von Regenbogenforellen durch Isoflavone. [Enhancement of fatty acid synthesis by isoflavones in rainbow trout.] Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät, Institut für Tierzucht und Tierhaltung, Abt. Marine Aquakultur, D-Kiel .

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Summary

Der Einsatz von Fischöl als Futtermittelrohstoff ist durch die begrenzte Produktionsmenge bei gestiegener Nachfrage und einer damit einhergehenden Preiserhöhung zu einem limitierenden Faktor in der Aquakulturproduktion geworden. Auf Grund dessen werden vermehrt pflanzliche Öle als Substitut für Fischöl in der Fischernährung eingesetzt, was zu einer Senkung der Produktqualität der Fische durch niedrigere Gehalte an langkettigen mehrfach ungesättigten Fettsäuren (LC-PUFA, englisch: long-chain polyunsaturated fatty acids) führt. Ziel dieses Projekts war es deshalb, Möglichkeiten zur Steigerung der endogenen Biosynthese von LC-PUFA zu evaluieren, um die Gehalte an Eicosapentaensäure (20:5n-3, EPA) und Docosahexaensäure (22:6n-3, DHA) in der Regenbogenforelle zu erhöhen.
Isoflavone sind bioaktive Substanzen, die über verschiedene Wirkmechanismen die Fettsäurebiosynthese beeinflussen können. Sie können als Liganden für Transkriptionsfaktoren fungieren, die zentral an der LC-PUFA Biosynthese beteiligt sind. Außerdem besitzen sie als Phytoöstrogene eine Strukturähnlichkeit zum Östrogen Estradiol. Da die Expression bestimmter Gene der LC-PUFA Synthese durch Östrogen beeinflusst werden kann, könnte dadurch ebenfalls der Gehalt an EPA und DHA im Fisch gesteigert werden.
Deshalb sollten im Zellkulturmodell wirksame Isoflavon-Varianten identifiziert werden, die zu einer Erhöhung der EPA- und DHA-Spiegel beitragen könnten. Beispielsweise akkumulierte die α-Linolensäure (18:3n-3, ALA) im humanen in-vitro-Modell durch die Gabe von Genistein, jedoch sank der EPA-Gehalt signifikant ab und der DHA-Gehalt wurde nicht reguliert. Im Regenbogenforellen-Hepatozyten-Modell blieb die Fettsäuresynthese durch Genistein gänzlich unbeeinflusst.
Im ersten in vivo Versuch sollten nun ebenfalls diejenigen Isoflavone und diätetischen Fettsäuremuster identifiziert werden, die einen positiven Einfluss auf die LC-PUFA-Gehalte in der Regenbogenforelle haben. Als zusätzliche Komponente, die LC-PUFA Biosynthese zu steigern, wurde das Öl der Pflanze Buglossoides arvensis in die Studien mit aufgenommen. Dieses Öl ist sowohl reich an ALA, als auch an Stearidonsäure (18:4n-3, SDA). SDA ist in den kommerziell verwendeten Pflanzenölen für die Fischernährung nicht vorhanden. Durch die direkte Bereitstellung von SDA über das Futtermittel sollte die Effizienz der Synthese gesteigert werden. Für den Versuch wurden nun verschiedene Isoflavone (Daidzein, Biochanin A, Formononetin, Equol and Genistein) mit drei verschiedenen Ölkompositionen kombiniert: Eine Mischung, basierend auf Fischöl und pflanzlichen Ölen, eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen und eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen und dem Öl der Pflanze Buglossoides arvensis. Zusätzlich gab es jeweils eine Diät dieser Ölmischungen ohne Additiv, die als Kontrolldiät verwendet wurde. In diesem Versuch zeigten alle Fische, die mit einer Equol- bzw. Genistein-Diät gefüttert wurden, einen leicht erhöhten DHA-Gehalt im Ganzkörperhomogenat im Vergleich zur jeweiligen Kontrollgruppe. Der Effekt der Substanzen auf die endogene Biosynthese konnte allerdings nicht durch molekularbiologische Methoden nachgewiesen werden, da die hepatischen mRNA Level der delta-6-Desaturase (fads2a(d6)) und der Carnitin Palmitoyltransferasen 1 a und c keine Veränderung im Vergleich zu den Werten der Kontrollgruppe aufwiesen, beziehungsweise sogar gegensätzlich beeinflusst wurden (fads2a(d6)). Insgesamt konnten die Fische, denen Diäten mit rein pflanzlichen Ölen verabreicht wurden, nicht die LC-PUFA Gehalte der Fische erreichen, die mit einer Fischöl-basierten Diät gefüttert wurden. Beim Vergleich der Kontrollgruppen zeigte sich, dass die Fische, die mit Buglossoides arvensis Öl gefüttert wurden, höhere EPA-Gehalte im Ganzkörperhomogenat aufwiesen, als diejenigen Fische, die mit den kommerziellen pflanzlichen Ölen gefüttert wurden.
Der zweite Versuch wurde in zwei Teilversuche untergliedert. Im ersten Teil sollte eine weitere Steigerung der DHA-Gehalte in den Forellen erzielt werden, indem ihnen Diäten mit Equol und Genistein zu unterschiedlichen Konzentrationen verabreicht wurden. Die Substanzen wurden mit zwei verschiedenen Ölkompositionen kombiniert: Einerseits wurde eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen verwendet, andererseits eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen und dem Öl der Pflanze Buglossoides arvensis. In den Fischen, die eine Kombination aus rein pflanzlichen Ölen und Genistein bzw. Equol erhalten haben, wurden keine Effekte auf die Fettsäuremuster der Fischgewebe nachgewiesen. Im Gegensatz dazu wiesen diejenigen Fische, die eine Kombination aus Buglossoides arvensis und Equol erhielten, im Vergleich zur Kontrollgruppe marginal erhöhte LC-PUFA-Gehalte in den Geweben auf. Dagegen gab es keine Erhöhung der LC-PUFA Gehalte in den Fischen, die mit den Genistein-Diäten gefüttert wurden.
Im zweiten Teil des zweiten Versuchs sollte das Öl der Pflanze Buglossoides arvensis auf seine Eignung als Futtermittelrohstoff hin untersucht werden. Durch das besondere Fettsäuremuster dieses Öls sollte die Effizienz der LC-PUFA-Biosynthese gesteigert werden. Hierfür wurde eine Diät basierend auf einer Mischung aus Fischöl und pflanzlichen Ölen schrittweise mit diesem Öl substituiert. Die höchsten Gehalte dieses Öls führten zu einem Anstieg des EPA-Gehalts im Filet der Forellen, verglichen mit der Kontrollgruppe. Der DHA-Gehalt im Filet war nicht signifikant unterschiedlich zwischen den Fütterungsgruppen.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die endogene Biosynthese von LC-PUFA in Regenbogenforellen sowohl durch ein bestimmtes Fettsäuremuster der Nahrung als auch durch bioaktive Substanzen, respektive deren Kombination gesteigert werden kann. Die Wirkung der Substanzen Equol und Genistein scheint allerdings abhängig von der verabreichten Dosis und des Fettsäuremusters des Futtermittels zu sein. Diesbezüglich ist noch Forschungsbedarf nötig. Dagegen ist die Wirkung des Öls der Pflanze Buglossoides arvensis auf die EPA Gehalte im Filet vorhanden und eine Steigerung von DHA scheint durch einen längeren Versuchszeitraum plausibel. Deshalb hat das Buglossoides arvensis Öl bzw. ein SDA-reiches Äquivalent ein höheres Potential zur Steigerung der LC-PUFA Biosynthese in Regenbogenforellen verglichen mit den hier untersuchten bioaktiven Substanzen.

Summary translation

The use of fish oil as a feed ingredient has become a limiting factor in aquaculture production. The limited availability concomitant with the high demand excessively increased its price. As a result, vegetable oils are increasingly used as a substitute for fish oil in fish nutrition, which leads to a reduction in the product quality of fish due to lower contents of long-chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFA). The aim of this project was, therefore, to evaluate different approaches to enhance the endogenous biosynthesis of LC-PUFA in order to increase the levels of eicosapentaenoic acid (20:5n-3, EPA) and docosahexaenoic acid (22:6n-3, DHA) in rainbow trout.
Isoflavones are bioactive substances that can influence the fatty acid biosynthesis via various mechanisms of action. They are potent ligands for transcription factors centrally involved in the LC-PUFA biosynthesis. In addition, they belong to the group of phytoestrogens and thus, have a structural similarity to the estrogen estradiol. Since the expression of certain genes involved in the LC-PUFA synthesis can be influenced by estrogen, isoflavones could increase the content of EPA and DHA in fish.
An in vitro cell culture study was conducted to identify isoflavones that increase EPA and DHA levels. For example, α-linolenic acid (18: 3n-3, ALA) accumulated in the human in vitro model by the administration of genistein. However, the EPA content decreased significantly and the DHA content was not altered. In rainbow trout hepatocytes, the synthesis of fatty acids was not affected by genistein.
In the first in vivo experiment, it should be investigated which isoflavones are able to positively affect the LC-PUFA levels in rainbow trout. As an additional approach to increase the LC-PUFA biosynthesis, the oil of the plant Buglossoides arvensis was included into the study. This oil is rich in both ALA and stearidonic acid (18:4n-3, SDA). SDA is not present in vegetable oils commercially used for fish nutrition. Using dietary SDA might increase the efficiency of the endogenous biosynthesis. For the experiment, different isoflavones (daidzein, biochanin A, formononetin, equol and genistein) were combined with three different oil compositions: an oil blend based on fish oil and vegetable oils, a blend of commercial vegetable oils and a blend of vegetable oils and Buglossoides arvensis oil. One diet each without supplementation served as a control diet. Equol and genistein fed fish showed slightly increased DHA levels in whole body homogenates compared to those fed the control diets without supplementation. The effect of the substances on the endogenous biosynthesis, however, could not be confirmed by molecular biological methods. The hepatic mRNA steady state levels of the delta-6-desaturase (fads2a(d6)) and the carnitine palmitoyltransferases 1 a and c were not altered in comparison to the values of the control group, or showed contradictory effects (fads2a(d6)). Overall, fish fed the diets containing vegetable oils could not reach the LC-PUFA levels of fish fed with a fish oil-based diet. When comparing the control groups, it was found that fish fed with Buglossoides arvensis oil had higher total body homogenate EPA levels than those fed the diet based on commercial vegetable oils.
The second experiment was divided into two sub-experiments. In the first part, different dietary doses of equol and genistein were used to further increase the DHA levels in rainbow trout. The substances were combined with two different oil compositions: a blend of commercially available vegetable oils and a blend of these vegetable oils and the Buglossoides arvensis oil. Fish fed the diets with vegetable oils and genistein and equol, respectively, did not show any effects on the levels of EPA and DHA in their tissues. In contrast, fish that received the Buglossoides arvensis oil blend combined with equol had marginally increased LC-PUFA tissue levels compared to fish fed the control diet without supplementation. In contrast, there was no increase in LC-PUFA levels in fish fed with the genistein diets.
In the second part of the second experiment, the potential of the Buglossoides arvensis oil was examined for its suitability as an ingredient in rainbow trout feed. The special fatty acid composition of this oil was supposed to increase the efficiency of the LC-PUFA biosynthesis. For this purpose, a diet based on a blend of fish oil and vegetable oils was gradually substituted with the Buglossoides arvensis oil. The highest levels of this oil resulted in an increase in fillet EPA levels in rainbow trout compared to fish fed the control diet. DHA fillet levels did not differ significantly among treatments.
In summary, this work shows that the endogenous biosynthesis of LC-PUFA in rainbow trout can be increased by a specific dietary fatty acid composition as well as by bioactive substances or the combination of both. However, the effect of the substances equol and genistein seems to be dependent on the dose administered and the fatty acid composition of the feed. In this regard, there is still a need for research. In contrast, Buglossoides arvensis oil has a positive effect on the EPA levels in the fillet and an increase of DHA seems plausible by extending the experimental period. Therefore, the Buglossoides arvensis oil or an SDA-rich equivalent has a higher potential to increase the LC-PUFA biosynthesis in rainbow trout in comparison to the bioactive substances.

EPrint Type:Report
Keywords:BÖL, BOEL, BÖLN, BOELN, FKZ 15NA044, Regenbogenforelle, Isoflavone, Fettsäuresynthese
Subjects: Animal husbandry > Production systems > Aquaculture
Research affiliation: Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOELN > Animals > Tierhaltung
Germany > Universität Kiel > Institute for Animal Breeding and Husbandry
Related Links:https://www.bundesprogramm.de, https://orgprints.org/perl/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&keywords=15NA004&projects=BOELN&_order=bypublication&_action_search=Suchen
Deposited By: Fickler, Anna
ID Code:35384
Deposited On:06 May 2019 11:17
Last Modified:10 May 2019 13:41
Document Language:German/Deutsch
Status:Unpublished
Refereed:Not peer-reviewed
Additional Publishing Information:Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft.
Projektleitung: Prof. Dr. Carsten Schulz, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät, Institut für Tierzucht und Tierhaltung, Abt. Marine Aquakultur

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